31. SETKÁNÍ KATEDER MECHANIKY TEKUTIN A TERMOMECHANIKY 26. – 28. června 2012, Mikulov Experimentální stanovení povrchového napětí podchlazené vody Radim Mareš 1 , Jana Kalová 2 1 Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta strojní, Katedra energetických strojů a zařízení, Univerzitní 8, Plzeň, maresr@kke.zcu.cz 2 Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Přírodovědecká fakulta, Branišovská 31, České Budějovice, jkalova@prf.jcu.cz Abstrakt Povrchové napětí podchlazené demineralizované vody v kapalném stavu bylo měřeno kapilární elevační metodou. Byly použity skleněné kapiláry o vnitřním průměru 0,35 mm až 0,20 mm. Měření probíhalo od teploty okolí až do teploty -20 °C p ři atmosférickém tlaku. Naměřené hodnoty nárůstu povrchového napětí s klesající teplotou byly porovnány s publikovanými experimentálními daty a s aktuální rovnicí Mezinárodní asociace pro vlastnosti vody a vodní páry (IAPWS). 1 Úvod Povrchové napětí vody je vlastnost důležitá pro chemické a biologické výzkumy nebo např. pro zkoumání jevů v atmosféře. Povrchové napětí na rozhraní kapalina – led ovlivňuje např. tvorbu ledu na letadlech. Povrchové napětí mezi párou a kapalinou je důležité pro modelování tvorby srážek v oblacích. Systematické sledování této fyzikální veličiny začalo v polovině devatenáctého století. V této době vznikla teorie kapilárních jevů (Laplace, Young, Gauss, Poisson, Kelvin) a byly vytvořeny metody pro měření povrchového napětí. Velká pozornost byla věnována zkoumání existence druhého inflexního bodu [1]. Doposud se ale nepodařilo jeho existenci ani potvrdit, ani vyvrátit. Pro teploty nad 0 °C je bu ď inflexní bod teplotní závislosti povrchového napětí velmi slabý, nebo neexistuje. 2 Existující experimentální data Z popsaných příčin se výzkum teplotní závislosti posunul do oblasti podchlazené vody. V tomto regionu existují dvě nezávislá měření pro povrchové napětí [2,3]. Tato data vykazují mírně odlišné trendy - data [2] jsou dobře aproximována extrapolací mezinárodní rovnice IAPWS pro povrchové napětí [4], a to mimo obor její deklarované platnosti pro teploty pod 0 °C. Data [3] jsou však celkem dobře potvrzována výpočty založenými na metodách molekulární dynamiky [5]. Z těchto důvodů bylo vhodné provést další, nezávislé měření závislosti povrchového napětí na teplotě. 3 Popis měřícího zařízení V kapilárách o malém průměru lze předpokládat meniskus ve tvaru polokulového vrchlíku. Změna polohy menisku demineralizované vody v závislosti na teplotě byla měřena pomocí katetometru Lomo KM-6, s přesností na 0,01 mm. Teplotní čidla Pt100 byla připojena na ústřednu HP 34970A spojenou s počítačem. V termostatu Lauda Proline RP845 byl jako chladicí médium použit líh, který byl oběhovým čerpadlem přiváděn do potrubí ve výměníku tepla. Toto potrubí má tvar šroubovice a je obtékáno plynným médiem (vysušený vzduch nebo dusík), které temperuje měřicí komůrku.